แหวนคาร์บอนกราไฟต์สำหรับซีลแก๊สแห้งในปั๊มสุญญากาศเคมี: บริการปั๊มสุญญากาศสกรูไร้น้ำมันที่ 80℃ พร้อมไอระเหยควบแน่นได้

กระบวนการกู้คืนตัวทำละลายในอุตสาหกรรมเคมีและเภสัชกรรมใช้ปั๊มสุญญากาศสกรูแบบไม่ใช้น้ำมันอย่างกว้างขวาง และซีลแก๊สแห้ง (Dry Gas Seals, DGS) เป็นส่วนประกอบซีลหลัก การใช้งานลักษณะนี้มีการดูดไอระเหยตัวทำละลายอินทรีย์ที่สามารถควบแน่นได้ เช่น เมทานอล, อะซิโตน, เอทิลอะซิเตต และไดคลอโรมีเทน โดยมีรอบเริ่ม-หยุดของปั๊มสุญญากาศบ่อยครั้ง (วันละ 2-3 ครั้ง สลับกันระหว่างล็อตตัวทำละลายต่างๆ) ในช่วงเริ่มต้นทำงาน ฟิล์มแก๊สที่เสถียรยังไม่ก่อตัวบนผิวหน้าแหวนซีล ทำให้เกิดสภาวะเสียดสีแห้ง ต้องการวัสดุแหวนซีลที่ทนต่อการสึกหรอแบบแห้ง, ทนต่อการแตกร้าวจากความร้อน และนำความร้อนได้รวดเร็ว บทความนี้อ้างอิงประสบการณ์การใช้งานของ Huahao Sealing ใน 霍邱县 Huoqiu County เพื่อแนะนำจุดสำคัญในการเลือกแหวนคาร์บอนกราไฟต์สำหรับซีลแก๊สแห้ง

1. ลักษณะการใช้งาน

1.1 พารามิเตอร์การใช้งานทั่วไป

• สารดูดซับ: เมทานอล (จุดเดือด 64.7℃), อะซิโตน (56℃), เอทิลอะซิเตต (77℃), ไดคลอโรมีเทน (39.6℃)
• ความดันทำงาน: ทางดูด 1-100 kPa (สัมบูรณ์), ทางออก 101-200 kPa (ระบายสู่ตัวควบแน่น)
• อุณหภูมิทำงาน: ห้องซีล 60-95℃ (ความร้อนจากการบีบอัดไอระเหยที่ควบแน่นได้), สูงสุด 105℃
• ความเร็วปั๊ม: 2950-3500 รอบต่อนาที (มอเตอร์ 4 ขั้ว)
• รอบเริ่ม-หยุด: ≥ 1000 ครั้งต่อปี, เริ่ม-หยุดบ่อย

1.2 รูปแบบความเสียหาย

สถิติความเสียหายของซีลแก๊สแห้งกราไฟต์ที่อัดซึมด้วยเรซินทั่วไป:

1.การสึกหรอจากการเสียดสีแห้งตอนเริ่มทำงาน (50%): ฟิล์มแก๊สหายไปตอนหยุดทำงาน และในช่วงเริ่มทำงานครั้งถัดไป (<0.5 วินาที) ผิวหน้าสัมผัสกันโดยตรงในสภาวะเสียดสีแห้ง กราไฟต์ที่อัดซึมด้วยเรซินมีการนำความร้อนต่ำ (15-25 W/m·K) อุณหภูมิผิวหน้าชั่วคราวอาจสูงถึง 300℃ → เรซินเกิดการคาร์บอนไนซ์ → ผิวหน้าแหวนซีลเกิด "จุดร้อน" → จุดสึกหรอ → สึกหรอเกิน 0.5 มม. ใน 3-6 เดือน ทำให้เกิดการรั่วไหล

2.การล้มเหลวของฟิล์มหล่อลื่นของของเหลวที่ควบแน่นได้ (25%): ไอระเหยตัวทำละลายบางส่วนควบแน่นเป็นฟิล์มของเหลว (1-5 μm) บนผิวหน้าแหวนซีล แต่ตัวทำละลายที่มีขั้ว เช่น เมทานอล จะทำให้สารอัดซึมเรซินบวม → สารอัดซึมตกตะกอน → ความพรุนเพิ่มขึ้น → ความแข็งแรงลดลง

3.การแตกร้าวจากความร้อนของผิวหน้าแหวนซีล (15%): การเริ่ม-หยุดบ่อยครั้งทำให้เกิดแรงกระแทกทางความร้อน (อุณหภูมิแวดล้อม → 80℃ → อุณหภูมิแวดล้อม) ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนไม่ตรงกันระหว่างกราไฟต์เรซินและ SSiC (กราไฟต์เรซิน 4.5×10⁻⁶/℃ เทียบกับ SSiC 3.2×10⁻⁶/℃) → แรงเค้นความร้อน → รอยแตกร้าวขนาดเล็ก

4.การเสื่อมสภาพของโอริง (10%): ไอระเหยตัวทำละลายทำให้โอริง FKM บวม (อัตราการบวมของ FKM ในเมทานอล 10-15%) ความยืดหยุ่นลดลง ทำให้การชดเชยล้มเหลว

2. การเลือกวัสดุ

2.1 คาร์บอนกราไฟต์อัดซึมด้วยโลหะผสมแอนติโมน-ทองแดง

Huahao Sealing แนะนำคาร์บอนกราไฟต์อัดซึมด้วยโลหะผสมแอนติโมน-ทองแดงสำหรับแหวนหมุนซีลกลแก๊สแห้งของปั๊มสุญญากาศแบบไม่ใช้น้ำมัน:

• วัสดุฐาน: กราไฟต์เม็ดละเอียดความแข็งแรงสูง (ขนาดเม็ด 10 μm, ความหนาแน่น 1.85 g/cm³, ความพรุน 14-17%)
• สารอัดซึม: โลหะผสมแอนติโมน (Sb) 12% + ทองแดง (Cu) 18% อัดซึมด้วยแรงดันสุญญากาศ (อัตราการอัดซึม ≥ 95%, ความพรุนตกค้าง < 1%)
• การนำความร้อน: 120 W/m·K (สูงกว่ากราไฟต์อัดซึมด้วยเรซิน 5-8 เท่า; ความร้อนจากการเสียดสีแห้งในช่วงเริ่มต้นถูกนำออกอย่างรวดเร็ว ป้องกันจุดร้อน)
• สัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้น: 2.1×10⁻⁶/℃ (ใกล้เคียงกับ SSiC ที่ 3.2×10⁻⁶/℃ ลดความเครียดจากความร้อนในช่วงเริ่ม-หยุดซ้ำซ้อนลง 60%)
• ความแข็งแรงทางกล: กดอัด 380 MPa, ดัดโค้ง 95 MPa, Shore HS 92 (ความต้านทานการสึกหรอจากการเสียดสีแห้งสูงกว่ากราไฟต์อัดซึมด้วยเรซิน 3-4 เท่า)
• ความต้านทานตัวทำละลาย: สารอัดซึมโลหะผสมไม่พองตัวในตัวทำละลายอินทรีย์ใดๆ (คงที่เต็มที่ในเมทานอล, อะซิโตน, เอทิลอะซิเตท, โทลูอีน ฯลฯ)

2.2 วัสดุคู่และซีลเสริม

• แหวนคู่: ซิลิกอนคาร์ไบด์ SSiC แบบซินเตอร์โดยไม่ใช้แรงกด (ขัดเงา R_a 0.05-0.1 μm, ความเรียบ ≤ 0.0009 mm, ค่าผลคูณ PV กับกราไฟต์แอนติโมน-ทองแดงสูงถึง 25 MPa·m/s)
• โอริง: FFKM (Kalrez Spectrum 7075, ทนต่อตัวทำละลายอินทรีย์ทุกชนิด, อัตราการพองตัวในเมทานอล < 1%) หรือ FEPM (Aflas 150P, ทนต่อตัวทำละลายโพลา)
• ชิ้นส่วนโลหะ: สแตนเลส 316L (เหมาะกับตัวทำละลายที่ไม่กัดกร่อน; สำหรับสารประกอบฮาโลเจนเลือกใช้เหล็กกล้า 2205 duplex)

2.3 เหตุใดจึงไม่เลือกสารอัดซึมชนิดอื่น

| ประเภทสารอัดซึม | การนำความร้อน | อายุการใช้งานเสียดสีแห้งช่วงเริ่มต้น | ความต้านทานตัวทำละลาย | ค่าใช้จ่าย | ความเหมาะสม |

|----------------|-----------------|--------------------------|-------------------|----------|-------------|

| อีพ็อกซี่เรซิน | 15-25 | 6 เดือน - 1 ปี | แย่ (พองตัวในเมทานอล/อะซิโตน) | ต่ำ | ✗ ไม่แนะนำ |

| ฟูรานเรซิน | 18-30 | 8-14 เดือน | ปานกลาง-ดี | กลาง | ✗ เสียหายหลัง >300 รอบ |

| แบบบิท (Cu-Sn) | 60-85 | 1.5-2.5 ปี | ปานกลาง | กลาง-สูง | △ การนำความร้อนปานกลาง, อายุใช้งานปานกลาง |

| แอนติโมนบริสุทธิ์ | 80-100 | 2.5-3.5 ปี | ดีเยี่ยม | สูง | ✓ ดีเยี่ยมแต่ความแข็งแรงความร้อนต่ำกว่า |

| แอนติโมน-ทองแดงโลหะผสม | 110-130 | 4-6 ปี | ดีเยี่ยม | สูง | ✓ ดีที่สุด |

3. การออกแบบโครงสร้างแหวนซีลก๊าซแห้งแบบร่องเกลียว

3.1 พารามิเตอร์เรขาคณิตของร่องเกลียว (การออกแบบผลไฮโดรไดนามิก)

แกนหลักของแหวนซีลก๊าซแห้งคือร่องเกลียวบนผิวหน้าปลายแหวนหมุนที่สร้างผลไฮโดรไดนามิก ทำให้ผิวหน้าซีลไม่สัมผัสกันในระหว่างการทำงานปกติ (ความหนาฟิล์มก๊าซ 3-5 μm)

• ชนิดร่อง: ร่องเกลียวลอการิทึม (สอดคล้องกับสมการเกลียวอาร์คิมิดีส r = r₀·e^(θ·tanα)) โดย α = 15-18° (มุมเฮลิกซ์ที่เหมาะสม เพื่อสมดุลความแข็งแรงไฮโดรไดนามิกและการรั่วไหล)
• ความลึกร่อง: 3-5 μm (±0.3 μm, การกัดด้วยเลเซอร์ความแม่นยำสูง, พิกัดความเผื่อความลึกร่องภายใน ±5%)
• จำนวนร่อง: 12-16 (เส้นผ่านศูนย์กลาง 60-120 มม.) ความกว้างร่อง: ความกว้างแผ่นดิน = 1:1 (โครงสร้างสมมาตร)
• อัตราส่วนความลึกร่อง (กุญแจความแข็งแรงฟิล์มก๊าซ): ความลึกร่อง h / ความหนาฟิล์มก๊าซ t ≈ 1:1 → h ≈ 3-5 μm ซึ่งที่จุดนี้ความแข็งแรงของฟิล์มก๊าซสูงสุด (K_gas ≥ 200 N/μm)

3.2 การควบคุมความดันเฉพาะผิวหน้า

• ความดันเฉพาะผิวหน้า P_c: ออกแบบที่ 0.2-0.3 MPa (เพียง 1/3-1/4 ของซีลสัมผัสโดยตรง ฟิล์มก๊าซที่ไม่สัมผัสแบกรับภาระหลัก)
• การคำนวณแรงปิด: P_c = P_spring + P_medium × A_med / A_seal
• P_spring (ความดันเฉพาะสปริง): 0.08-0.12 MPa (ชุดสปริงขนาดเล็กหลายชุด โหลดอย่างสม่ำเสมอ)
• A_med / A_seal (สัมประสิทธิ์พื้นที่ทำงานของตัวกลาง): 0.75-0.85 (การออกแบบสมดุล เพื่อหลีกเลี่ยงความดันเฉพาะที่สูงเกินไปเมื่อความดันเพิ่มขึ้น)

3.3 การตรวจสอบความหนาฟิล์มก๊าซ

ตรวจสอบความหนาฟิล์มก๊าซผ่านการจำลองไฮโดรไดนามิกและการวัดภาคสนาม:

• การจำลอง (สมการเรย์โนลด์ CFD): ที่ 3000 รอบต่อนาที ความดันต่าง 0.1 MPa ความหนาฟิล์มก๊าซ 4.2 μm อัตราการรั่วไหล 8.5×10⁻⁷ Pa·m³/s
• การวัดจริง (เซ็นเซอร์วัดการเลื่อนแบบความจุ): 4.0-4.5 μm ในระหว่างการทำงานที่เสถียร เวลาแตะสัมผัสแห้งเฉียบพลันในช่วงสตาร์ท < 0.3 วินาที
• การทดสอบรั่วด้วยฮีเลียม: อัตราการรั่ว ≤ 1×10⁻⁶ Pa·m³/s ดีกว่ามาตรฐานการรั่วไหลของแหวนซีลก๊าซแห้ง API 682 ประเภท A

4. กรณีศึกษาของ Huahao Sealing

บริษัทเคมีชั้นดีภายใต้กลุ่มปิโตรเคมีขนาดใหญ่ มีชุดฟื้นฟูตัวทำละลายเอทิลอะซิเตตจำนวน 4 ชุด กำลังการผลิต 50000 ตันต่อปี โดยมีปั๊มสุญญากาศแบบสกรูไร้น้ำมันรวมทั้งหมด 14 เครื่อง (อัตราการไหล 1500 ลูกบาศก์เมตรต่อชั่วโมง, ความดันสุญญากาศสูงสุด 50 Pa, ความเร็ว 2950 รอบต่อนาที, เส้นผ่านศูนย์กลางซีล 90 มม.) เดิมทีมีปัญหาดังต่อไปนี้กับซีลแก๊สแห้งคาร์บอนกราไฟต์ที่อัดซึมด้วยเรซินยี่ห้อนำเข้า:

1.อายุการใช้งานเฉลี่ยของแหวนซีล 11 เดือน การสตาร์ทบ่อยครั้ง (สลับทุก 18 ชั่วโมง ประมาณ 1500 ครั้งต่อปี) เมื่อตรวจสอบหลังถอดพบว่าผิวหน้าแหวนซีลมีรอยสึกลึก 0.3-0.5 มม. และมีรอยแตกจากความร้อน 3-5 รอย

2.มีการเปลี่ยนแหวนซีลประมาณ 13 ครั้งต่อปี ค่าอะไหล่และค่าบำรุงรักษาขณะหยุดเครื่องรวมประมาณ 1.95 ล้านหยวน

3.การเสียดสีแห้งของผิวหน้าแหวนซีลในช่วงสตาร์ททำให้เกิดควัน ไอระเหยตัวทำละลายผสมกับเศษวัสดุสึกหรอเสี่ยงต่อการระเบิด (เกิดเหตุการณ์ระเบิดวูบวาบเกือบเกิดขึ้นในปี 2018)

หลังจากเปลี่ยนมาใช้โซลูชันของ Huahao Sealing ที่ประกอบด้วย แหวนหมุนคาร์บอนกราไฟต์อัดซึมด้วยโลหะผสมแอนติโมน-ทองแดง + แหวนคู่ SSiC + ร่องเกลียว (α=16°, ความลึกร่อง 4 μm) + O-ring Kalrez 7075 + แบบสมดุลสปริงขนาดเล็ก ในปี 2019:

• ปั๊มเครื่องแรกทำงานต่อเนื่องได้ 4.2 ปี (ส.ค. 2019 - พ.ย. 2023) เมื่อตรวจสอบหลังถอดพบรอยสึกผิวหน้าแหวนซีลเพียง 0.08 มม. ไม่มีรอยแตกจากความร้อน และความหนาฟิล์มแก๊สยังคงเสถียรที่ 3.8 μm
• จำนวนการสตาร์ทสะสมกว่า 3800 ครั้ง อายุการใช้งานของแหวนซีลเพิ่มเป็น 50.4 เดือน (+358%) จากเดิม 11 เดือน
• ปรากฏการณ์ควันจากการเสียดสีแห้งในช่วงสตาร์ท หมดไปอย่างสิ้นเชิง ไม่มีเหตุการณ์เสี่ยงระเบิดวูบวาบตั้งแต่ปี 2019-2023
• ค่าอะไหล่และค่าบำรุงรักษารายปีลดลงจาก 1.95 ล้านหยวนเหลือประมาณ 0.22 ล้านหยวน ประหยัดสะสมกว่า 7 ล้านหยวน

แกนกลางของการเลือกใช้: ความถี่การสตาร์ท-หยุดเป็นตัวกำหนดชนิดการอัดซึม (>500 ครั้งต่อปีต้องใช้การอัดซึมด้วยโลหะผสม), ความขั้วของตัวทำละลายกำหนดเกรด O-ring (ตัวทำละลายขั้วเลือกใช้ FFKM), การนำความร้อนกำหนดอายุการใช้งานจากการเสียดสีแห้ง (Sb-Cu 120 W/m·K เป็นตัวเลือกที่เหมาะสมที่สุด)